面向創新人才培養的力學實驗教學改革研究

曾鳴 王鈺文 石明江 湯歷平

摘要：根據當前創新人才的需求，在充分分析了當前高等學校力學實驗教學所存在的問題基礎上，提出了力學實驗教學內容應與工程背景相結合，同時，設計了新的因材施教培養模式，以及“虛”“實”結合的教學方式，并且對實驗室開放進行了探索，從而促進了力學實驗教學內容、模式的創新，為其他實驗課程的教學改革提供指導和借鑒。

關鍵詞：力學實驗；教學改革；因材施教；虛實結合；實驗室開放

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）33-0111-02

一、引言

力學是高等學校工科專業的一門基礎課，具有顯著的理論性和工程性特點。力學實驗是力學理論教學中的一個重要環節，是理論教學向工程實際的延伸，在培養學生工程實踐能力方面具有重要作用，是高等學校培養高質量工程技術人才的關鍵。然而，出于各種原因，在不少工科院校中存在重理論、輕實驗的現象。本文通過深入分析當前力學實驗課程中存在的問題，結合工程實際和現代化實驗教學方法，對力學實驗教學內容建設、課程管理、設備改造等多個方面提出切實可行的改革方案，以實現高質量人才培養目標。

二、目前存在的問題

1.實驗內容固定。多年來，力學實驗教學內容主要包括金屬材料拉伸、壓縮、扭轉、直梁彎曲正應力實驗，這類實驗均以驗證為主，內容相對單一，形式較為固定。然而這些驗證性實驗大多只能讓學生了解實驗設備的基本操作、熟悉實驗過程，對理論課所學內容有一個直觀的認識，但是并不能充分調動學生的學習興趣和主動性，不能讓學生在實驗過程中有更深層次的思考。

2.實驗教學方式單一。傳統的力學實驗教學大多沿用老師講授，學生被動灌輸的教學方式，學生被動學習，且完全依賴于老師所講解的實驗目的、方法和步驟，極大地限制了學生的創造性和自主性，與目前所提倡的素質教育和創新性人才培養大相徑庭。不僅無法培養學生的動手能力，而且也不能夠發揮學生的創新精神和實踐能力。

3.實驗教學質量不高。力學為全校性基礎課，學生選課人數眾多，但實驗場地和設備數量非常有限，遠不能滿足目前的使用需求，由此造成了同一組學生個別人操作、多數人觀摩的現象，很多學生并沒有真正按照要求進行實驗。與此同時，實驗結束后，學生對于實驗結果數據處理和分析不重視，經常出現實驗報告相互抄襲的問題，然而對于力學實驗而言，實驗后的數據處理和分析是一項十分重要的工作，需要學生找出誤差產生的原因及處理方法。

4.實驗設備陳舊。由于力學實驗設備和儀器的年代相對較久，逐漸開始不能夠滿足新時代的使用要求。例如，我校一直采用的JNSG-144型教學用扭轉試驗機，采用渦輪減速器手動加載，通過彈簧測矩裝置測量扭矩，用戶觀察扭矩和扭轉角刻度盤讀取數值。實驗時，扭矩由尼龍線傳遞到度盤上，在線輪位置容易出現斷線的情況，需要經常對設備重新接線，使用費時費力。扭矩和扭轉角讀數由度盤反映，造成實驗數據誤差較大，實驗效果不理想，無法完成教學大綱規定的教學任務。

三、針對這些問題的改進

1.內容上與工程背景相結合。與枯燥的理論驗證實驗相比較，學生更容易接受貼近工程應用的實驗內容，因此，在傳統的力學實驗基礎上，可以增加一些更生動、更直觀的實際工程問題，通過提高學生的學習興趣和積極性，使其能夠更加扎實地掌握相關知識點[1]。例如，在基本的金屬材料拉伸、壓縮、扭轉等實驗基礎上，增加一些實際工程中所采用的金屬、非金屬材料的力學性能實驗，讓學生從多種途徑增強對基本理論知識的理解和應用，不僅能夠使得實驗內容更加豐富并且貼近實際，而且能夠進一步培養學生的動手能力。

2.因材施教的培養模式。對于全體學生，只需要根據實驗指導書中列明的實驗目的、內容和步驟，完成相應的驗證性實驗即可。而對于學有余力且希望深入探索的學生，開展創新實驗，并給予相應的學分獎勵，以達到提高學生積極性和個性化培養的目的[2]。創新實驗應采用“三不固定”的自主式學習方式，即：一沒有固定的實驗內容。學生的實驗內容可以是自己想要探明的相關問題，也可以是教師根據自身研究方向所總結出來的相關內容。二沒有固定的實驗方案。學生在確定實驗內容后，可根據實際情況組建創新實驗團隊，并確定團隊成員各自的分工及具體的實驗步驟，待老師認可實驗方案后進行相應實驗。三沒有固定的考核方法。學生實驗完成后，可以采用書面報告、口頭報告、小論文等多種形式進行考核。這樣的創新實驗，是以學生自身的興趣作為出發點，自主地進行選題、組織、設計和匯報等一系列實驗活動，從而達到培養學生協調組織、創新，以及分析、解決問題能力的目的。

3.“虛”“實”結合的教學方式。結合力學專業特點，建設虛擬仿真實驗教學項目，打破傳統的實驗教學在時間和空間上的限制，充分發揮虛擬實驗所具備的低消耗、操作可逆、可完成綜合實驗等優勢，將力學實驗采取“虛”“實”結合的方式進行。這里需要強調的是，實物實驗具有虛擬實驗不可替代的地位，因此，需要將虛擬仿真實驗與實物實驗綜合進行。建成后的力學虛擬仿真實驗系統可進行拉伸、壓縮、扭轉、彎扭組合、小梁彎曲、壓桿穩定等多種實驗。

4.實驗室開放。在學期初，由實驗教學中心統一管理并發布本學期的實驗室開放情況，對于各類開放性實驗由導師和學生共同進行預約，經過安全的儀器設備基本操作，以及實驗規程培訓后，即可進入實驗室開展相應的實驗。以“大學生創新創業計劃項目”“互聯網+大學生創新創業大賽”等一系列競賽項目為依托，形成以項目驅動的實踐教學模式，學生可以從自己的興趣出發申請相應的比賽項目。與此同時，需要規范實驗室開放的管理[3]。目前，我校已建立了較為完善的大型設備開放共享管理平臺，通過該平臺，教師和學生可對相關儀器和設備進行網上預約，實驗室管理員可以對儀器設備的開放情況進行管理。共享管理平臺的使用，不僅促進了實驗室資源的共享，而且創立了良好的開放性實踐教學運行機制。

5.設備升級改造。利用中央及地方各種項目資助平臺，或者學校設備自研自制專項經費資助，籌措必要的資金，對年久失修的設備進行檢查、測試、維修和升級改造，盡量提高現有設備的完好率和使用率。我校改造后的新型教學用扭轉試驗機NJNSG-144采用拉力傳感器替代彈簧測量裝置，加工聯接桿把拉力傳感器安裝在試驗機力臂上，通過拉力傳感器測量力臂在該位置的拉力大小，根據力矩計算公式M=L*F即可求出扭轉力矩。扭轉角通過旋轉光電編碼器測量，在減速器齒輪輸出軸上安裝聯軸器連接編碼器，編碼器每旋轉1°時便產生一個脈沖信號，采集產生的脈沖信號即可計算出試件扭轉的角度。信號測量初步選用智能顯示儀，智能顯示儀要求兩通道以上，分別讀取模擬信號和脈沖信號。

四、結語

在創新教學思想指導下，探索和實踐力學實驗教學改革方法。實驗內容方面，提出將傳統力學實驗與工程背景相結合；培養模式方面，設計不固定實驗內容、實驗方案以及考核方法的“三不固定”自主式學習方式；教學方式方面，建議實物實驗應與虛擬實驗相結合；同時，提出實驗室開放和老舊設備升級改造相關思路。通過以上教學改革內容，不僅能夠有效地激發學生的學習興趣、培養創新意識和動手能力，而且能夠使得實驗室最大限度地發揮其功能，促進全體師生的學習和科研工作，對其他相關專業實驗教學研究具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]劉雯雯，杜云海，王志，劉冰雁.材料力學實驗教學改革與創新人才培養[J].實驗室研究與探索，2013，32（6）：332-333+337.

[2]劉聰聰.新形勢下土力學實驗教學改革的探討[J].教育教學論壇，2016，（7）：101-102.

[3]李強，明艷.專業實驗室開放模式的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2017，34（2）：224-226+263.